AI嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與實踐：基于樹莓派RP2040和MicroPython

第1篇 嵌入式系統(tǒng)
第1章 AI嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識 3
1.1 嵌入式系統(tǒng)概述 3
1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義 3
1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成 4
1.2 嵌入式微處理器 7
1.2.1 嵌入式微處理器分類 7
1.2.2 ARM 嵌入式微處理器 10
1.2.3 嵌入式微處理器選型 14
1.3 AI嵌入式系統(tǒng)的基本概念 15
1.4 嵌入式硬件基礎(chǔ)知識 18
1.4.1 認(rèn)識樹莓派系列硬件 18
1.4.2 嵌入式硬件接口 20
1.4.3 嵌入式硬件電路必備知識 21
第2章 樹莓派Pico開發(fā)板硬件基礎(chǔ) 30
2.1 樹莓派RP2040系列開發(fā)板 30
2.1.1 樹莓派Pico開發(fā)板 30
2.1.2 Wio RP2040無線 WiFi開發(fā)板 31
2.1.3 其他幾款基于RP2040 MCU的開發(fā)板 32
2.2 RP2040芯片 32
2.3 樹莓派Pico開發(fā)板硬件擴展接口信號 38
2.3.1 Pico開發(fā)板硬件擴展接口信號解析 38
2.3.2 樹莓派Pico Flash編程/程序燒寫 42
2.4 樹莓派Pico開發(fā)板電源模塊 43
2.4.1 Pico開發(fā)板電源模塊分析 43
2.4.2 Pico開發(fā)板供電 44
2.4.3 Pico開發(fā)板使用電池充電器 46
2.5 Wio RP2040無線 WiFi開發(fā)板硬件擴展接口信號 47
2.5.1 Wio RP2040開發(fā)板主要特性及硬件技術(shù)規(guī)格 47
2.5.2 Wio RP2040開發(fā)板硬件擴展接口信號 48
2.6 使用MicroPython REPL點亮Pico開發(fā)板板載LED 49
2.6.1 所需硬件及Pico開發(fā)板 MicroPython固件安裝 49
2.6.2 使用MicroPython REPL交互模式編程 51
2.6.3 使用MicroPython REPL交互模式基礎(chǔ)編程舉例 53
2.6.4 使用MicroPython REPL點亮Pico板載LED編程舉例 54
第3章 Pico開發(fā)板 MicroPython編程基礎(chǔ) 58
3.1 MicroPython簡介 58
3.2 Thonny Python IDE安裝與使用基礎(chǔ) 60
3.2.1 Thonny Python IDE簡介 60
3.2.2 Thonny Python IDE安裝 61
3.2.3 使用Thonny建立Pico開發(fā)板 MicroPython程序 64
3.3 Python基本語法 67
3.4 Python程序結(jié)構(gòu)控制 79
3.4.1 選擇語句 79
3.4.2 循環(huán)語句 82
3.4.3 跳轉(zhuǎn)語句 85
3.4.4 在循環(huán)結(jié)構(gòu)中使用else子句 86
3.5 Python函數(shù)與模塊 87
3.5.1 定義函數(shù) 87
3.5.2 調(diào)用函數(shù) 87
3.5.3 變量的作用域 87
3.5.4 模塊與包 88
3.6 類與對象 90
3.6.1 類的定義 91
3.6.2 創(chuàng)建對象 91
3.6.3 類的成員 91
第4章 樹莓派Pico開發(fā)板人機接口技術(shù) 94
4.1 樹莓派Pico開發(fā)板硬件接口引腳擴展及使用 94
4.1.1 Pico開發(fā)板硬件接口引腳擴展 94
4.1.2 使用 MicroPython控制Pico開發(fā)板硬件擴展接口 95
4.2 樹莓派Pico開發(fā)板GPIO接口控制編程基礎(chǔ) 96
4.2.1 Machine模塊 96
4.2.2 使用變量存儲GPIO端口引腳的設(shè)定值 96
4.2.3 GPIO端口數(shù)字信號輸出 97
4.2.4 使用 MicroPython控制LED間斷閃亮 97
4.3 樹莓派Pico開發(fā)板小功率LED接口與GPIO控制 99
4.3.1 樹莓派Pico開發(fā)板硬件接口輸出擴展負(fù)載的接法 99
4.3.2 小功率LED燈交替閃亮GPIO控制實踐 100
4.3.3 彩色RGB LED燈GPIO控制實踐 102
4.4 樹莓派Pico開發(fā)板按鍵接口與GPIO控制 104
4.4.1 按鍵接口技術(shù) 104
4.4.2 上拉電阻與下拉電阻 106
4.4.3 樹莓派Pico開發(fā)板按鍵接口與GPIO控制實踐 108
4.5 樹莓派Pico開發(fā)板LED顯示器接口與GPIO控制 114
4.5.1 LED顯示控制原理 114
4.5.2 Pico開發(fā)板7段LED顯示器接口與GPIO控制實踐 117
第5章 樹莓派Pico中斷與定時技術(shù) 121
5.1 中斷技術(shù) 121
5.1.1 中斷的基本知識 121
5.1.2 中斷技術(shù)基本原理 122
5.1.3 樹莓派Pico中斷系統(tǒng) 125
5.2 Pico按鍵中斷及其 MicroPython實現(xiàn) 127
5.2.1 Pico外部中斷的使用方法 127
5.2.2 Pico單個按鍵中斷控制小功率LED發(fā)光實踐 128
5.2.3 Pico多個按鍵中斷控制小功率LED閃爍 130
5.2.4 認(rèn)識三極管 132
5.2.5 使用Pico開發(fā)板、單個按鍵和三極管驅(qū)動中大功率LED實踐 135
5.3 定時技術(shù)及樹莓派RP2040定時器 138
5.3.1 定時器工作原理 138
5.3.2 樹莓派RP2040定時器 139
5.4 Pico定時器 MicroPython控制編程實踐 __________140
5.4.1 Pico定時器對象的使用方法 140
5.4.2 Pico定時器實現(xiàn)LED閃爍控制實踐 141
5.4.3 Pico定時器控制LED數(shù)字顯示實踐 143
5.5 PWM 技術(shù)及Pico LED呼吸燈 MicroPython控制編程 146
5.5.1 PWM 技術(shù)原理 146
5.5.2 運用PWM 技術(shù)實現(xiàn)LED呼吸燈視覺效果 147
5.5.3 樹莓派Pico PWM 通道及PWM 對象的使用方法 148
5.5.4 PWM 控制Pico板載LED呼吸燈的 MicroPython編程實踐 149
第6章 樹莓派Pico串行通信與網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù) 151
6.1 Pico開發(fā)板 UART串行通信接口技術(shù)與實踐 151
6.1.1 UART串行通信接口技術(shù)原理 151
6.1.2 Pico開發(fā)板 UART串行通信技術(shù)及 MicroPython編程實踐 156
6.2 網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù) 162
6.2.1 分布嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 162
6.2.2 分布嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信方式 164
6.3 Pico開發(fā)板I2C總線通信接口技術(shù)與實踐 165
6.3.1 I2C總線接口技術(shù)原理 165
6.3.2 Pico I2C總線引腳及Pico I2C對象的使用方法 170
6.3.3 樹莓派Pico開發(fā)板I2C EEPROM 接口與編程實踐 173
6.3.4 樹莓派Pico開發(fā)板I2C OLED接口與編程實踐 177
6.4 Pico開發(fā)板SPI總線通信接口技術(shù)與實踐 180
6.4.1 SPI總線接口技術(shù)原理 180
6.4.2 Pico SPI總線引腳及Pico SPI對象的使用方法 184
6.4.3 Pico與ADXL345加速度傳感器SPI總線接口及
編程實踐 186
第7章 樹莓派Pico無線通信技術(shù)實踐 192
7.1 Pico開發(fā)板擴展無線 WiFi模塊通信技術(shù)實踐 192
7.1.1 ESP 01無線 WiFi模塊 192
7.1.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 193
7.1.3 常用 AT指令 196
7.1.4 Pico開發(fā)板與ESP 01S無線 WiFi模塊接口及通信編程實踐 __________199
7.2 Pico開發(fā)板擴展藍(lán)牙模塊通信技術(shù)實踐 206
7.2.1 藍(lán)牙技術(shù) 206
7.2.2 藍(lán)牙模塊 207
7.2.3 認(rèn)識 MOSFET晶體管 209
7.2.4 Pico開發(fā)板與 HC 06無線藍(lán)牙模塊接口及通信編程實踐 212
7.3 Wio RP2040無線 WiFi局域網(wǎng)通信實踐 217
7.4 Wio RP2040迷你開發(fā)板 MQTT遠(yuǎn)程無線通信實踐 219
第8章 樹莓派Pico電機接口與控制技術(shù)實踐 225
8.1 樹莓派Pico直流電機調(diào)速控制技術(shù)基礎(chǔ) 225
8.1.1 直流電機簡介 225
8.1.2 晶體管電機驅(qū)動電路與續(xù)流二極管 226
8.1.3 基于Pico開發(fā)板和晶體管的直流電機調(diào)速控制實踐 228
8.2 樹莓派Pico直流電機控制技術(shù)實踐 230
8.2.1 H橋電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路 230
8.2.2 Pico開發(fā)板和DRV8833驅(qū)動模塊電機接口及編程實踐 238
8.3 樹莓派Pico伺服電機控制技術(shù)實踐 242
8.3.1 伺服電機 242
8.3.2 Pico開發(fā)板和伺服電機接口連接及編程實踐 244
8.4 樹莓派Pico步進電機控制技術(shù)實踐 247
8.4.1 直流步進電機及其驅(qū)動電路原理 247
8.4.2 Pico開發(fā)板步進電機控制技術(shù)實踐 249
第2篇 機器學(xué)習(xí)與嵌入式機器學(xué)習(xí)
第9章 機器學(xué)習(xí)技術(shù)基礎(chǔ)及實踐 259
9.1 機器學(xué)習(xí)簡介 259
9.1.1 機器學(xué)習(xí)的分類 259
9.1.2 機器學(xué)習(xí)應(yīng)用開發(fā)的基本流程 261
9.1.3 機器學(xué)習(xí)常用基本術(shù)語 263
9.1.4 機器學(xué)習(xí)編程環(huán)境及工具 267
9.2 常用機器學(xué)習(xí)技術(shù)及華為AI云平臺 ModelArts實踐 268
9.2.1 監(jiān)督學(xué)習(xí)基本應(yīng)用問題 268
9.2.2 回歸算法及華為 AI云平臺 ModelArts使用與實踐 271
9.2.3 主成分分析方法及特征提取應(yīng)用實踐 280
9.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基礎(chǔ) 284
9.3.1 生物神經(jīng)元 284
9.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 285
9.3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本學(xué)習(xí)算法 289
9.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 293
9.3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用激活函數(shù) 297
9.3.6 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 300
9.4 基于PCA 特征提取和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的人臉識別技術(shù)實踐 301
9.4.1 ORL人臉庫 301
9.4.2 PCA方法人臉圖像特征提取 302
9.4.3 ORL人臉識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 302
9.4.4 采用Python和tf.Keras編寫 ORL人臉識別程序 303
第10章 嵌入式機器學(xué)習(xí)技術(shù)實踐 310
10.1 嵌入式機器學(xué)習(xí)技術(shù) 310
10.2 tf.Keras CNN喚醒詞檢測及樹莓派TFLite語音控制實踐 311
10.2.1 Speech Commands數(shù)據(jù)集 312
10.2.2 語音喚醒詞的 MFCC特征提取 312
10.2.3 基于CNN方法和tf.Keras的語音喚醒詞分類檢測技術(shù)實踐 319
10.2.4 基于TFLite模型推理引擎的樹莓派語音喚醒詞分類檢測實踐 323
10.3 Pico Arduino C力觸覺感知與回歸建模及Processing交互 329
10.3.1 Pico開發(fā)板Arduino IDE開發(fā)環(huán)境安裝與使用 329
10.3.2 Pico Arduino觸覺感知及Processing、Pico Arduino觸覺交互 332
10.3.3 基于力觸覺回歸和質(zhì)點彈簧模型的力觸覺交互變形可視化 338
10.4 運用Edge Impulse實現(xiàn)樹莓派Pico嵌入式機器學(xué)習(xí) 350
10.4.1 Edge Impluse 350
10.4.2 運用Edge Impluse構(gòu)建Pico姿態(tài)檢測TinyML模型 351
10.4.3 運用Edge Impluse構(gòu)建Pico中文語音喚醒詞TinyML模型 362
參考文獻 369